Тепловая инерция и аккумулирование тепла ограждающей конструкцией

Периодические колебания потока тепла, воздействующего на ограждающую конструкцию, воспринимаются поверхностью и являются причиной колебаний ее температуры. Колебания температуры на поверхности ограждения распространяются в его толщу и постепенно затухают. Характеристикой затухания колебаний температуры внутри ограждающей конструкции является безразмерная величина D, называемая показателем тепловой инерции, или условной толщиной ограждения.

Для однородного ограждения величина D определяется как произведение термического сопротивления R на коэффициент теплоусвоения материала S:

D = R · S (4.1)

Для многослойного ограждения ее приближенно выражают суммой условных толщин отдельных слоев:

, (4.2)

где R₁, R₂,...R_n – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей

конструкции, м² ∙°С/Вт, определяемые по формуле (1.3);

S₁, S₂, …S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных

слоев ограждающей конструкции (по приложению 13), Вт/(м² °С).

Расчетный коэффициент теплоусвоения замкнутых воздушных прослоек принимается равным нулю. Слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом, и внешней поверхностью ограждающей конструкции при определении тепловой инерции не учитываются.

Эта формула не учитывает порядок расположения в конструкции отдельных слоев с различными физическими свойствами. По величине значения D ограждающие конструкции подразделяют: на особо легкие (безинерционные), у которых D < 1,5; легкие (с малой тепловой инерцией) – 1,5 < D <4; конструкции средней массивности (со средней тепловой инерцией) – 4 < D <7 и массивные конструкции (с большой тепловой инерцией) – D > 7.

По величине тепловой инерции ограждающей конструкции можно оценить время, необходимое для предельного охлаждения ее внутренней поверхности в случае отключения источника отопления. С ростом тепловой инерции ограждения это время увеличивается.

Очень легкие ограждения, например панели типа «сэндвич», при резком похолодании полностью охлаждаются в течение сравнительно короткого периода времени, измеряемого несколькими часами. В массивных ограждениях, например бетонных панелях и кирпичной кладке, полное охлаждение наступает в течение нескольких суток, и кратковременное резкое похолодание практически не изменяет температуру внутренней поверхности таких конструкций.

На тепловую инерцию многослойной ограждающей конструкции влияет порядок расположения конструктивных слоев из материалов с различными физическими свойствами.

На рисунке 4.1 показано наружное ограждение с одними и теми же конструктивными слоями, но с различным расположением теплоизоляционного слоя. Практика показывает, что количество тепла, проникающее в конструкцию, у которой этот слой находится со стороны теплового потока, меньше, чем в конструкциях, имеющих теплоизоляционный слой в средней части или у противоположной поверхности. Это объясняется разными значениями коэффициента теплоусвоения материала S на пути проникновения теплового потока. У легких малотеплопроводных материалов теплоусвоение очень небольшое (при периоде колебаний тепловых воздействий 24 ч у минеральной ваты S = 0,42 – 1,46, пенопласта – 0,40 – 0,99 Вт/(м² ∙°С)). У более тяжелых теплопроводных материалов – гораздо большее (у тяжелого бетона S =16,77 – 17,98, бетонов на пористых заполнителях – 1,52 – 12,33 Вт/(м² ∙°С)).

Рисунок 4.1. Ограждающая конструкция с различным расположением

теплоизоляционного слоя:

а – со стороны теплового потока; б – в толще ограждения;

в – со стороны, противоположной воздействию теплового потока

Вследствие этого ограждающая конструкция, показанная на рисунке 4.1.а, при данном направлении теплового потока обладает меньшей тепловой инерцией, так как обеспечивает более быстрое время нагрева помещения из-за того, что само ограждение поглощает всего лишь небольшую часть теплового потока. Такое конструктивное решение используют в наружных ограждениях помещений, которые можно обогревать периодически (кинотеатры, лекционные залы и др.) Однако для большинства других зданий расположение теплоизоляционного слоя у внутренней поверхности конструкции нецелесообразно. В условиях периодических изменений величины теплового потока, идущего от системы отопления, и колебаний температуры наружного воздуха ограждающая конструкция должна выполнять регулирующую функцию по выравниванию минимальных и максимальных температур.

Отсюда следует важное функциональное требование к наружным ограждающим конструкциям: при охлаждении помещения они должны обладать способностью отдавать ему тепло, при нагревании воздуха помещения – поглощать излишнее тепло. Наилучшим образом этому требованию соответствует тот вариант конструктивного решения, который предусматривает расположение теплоизоляционного слоя со стороны поверхности, противоположной воздействию теплового потока (рисунок 4.1. в). Это же самое требование можно сформулировать так: наружному ограждению необходимо придавать такие качества, которые могли бы обеспечивать эффективное затухание амплитуды колебания температуры, выравнивать ее колебания в воздушной среде помещения, а также задерживать передачу тепла. Эти свойства ограждающей конструкции характеризуют такое явление, как аккумулирование тепла. Его количество в значительной степени зависит от плотности материала конструктивного слоя или однослойного ограждения, а также от величины проходящего теплового потока, который, в свою очередь, зависит от разности температур.

На аккумулирование тепла в ограждающих конструкциях из различных неорганических строительных материалов удельная теплоемкость оказывает незначительное влияние. Для этих материалов (кроме некоторых металлов), теплоемкость принимает всего лишь два значения – 0,84 и 0,88 кДж/(кг∙°С). Однако для органических материалов (древесина, пенопласт), которые имеют небольшие значения плотности и теплопроводности, этот показатель намного больше – 2,3 кДж/(кг∙°С). Этим объясняется более замедленное гашение теплового потока ограждающими конструкциями из легких строительных материалов или материалов со сравнительно большой теплоемкостью, чем конструкциями из строитель­ных материалов повышенной плотности.

В рационально запроектированной многослойной ограждающей конструкции материалы с достаточно высокими теплоизоляционными свойствами должны сочетаться с материалами, обладающими большой теплоаккумулирующей способностью. В такой комбинации, обеспечивающей эффективное затухание амплитуды колебаний температуры, недостатки одного материала перекрываются достоинствами другого. Например, в конструкции бетонной панели с теплоизоляцией из пенопласта или минеральной ваты утеплитель препятствует быстрой потере тепла бетоном, который его аккумулирует при росте величины теплового потока.

Для однослойного ограждения целесообразно использовать строительные материалы, сочетающие в себе одновременно достаточные теплоизоляционные и теплоаккумулирующие качества. Наилучшим сочетанием этих качеств обладает древесина, поэтому ограждения из деревянных конструкций благоприятны для создания комфортного микроклимата в помещениях. Хорошее сочетание теплоизоляционных и теплоаккумулирующих качеств имеют ячеистые и легкие бетоны. Однако, как неорганические строительные материалы, они уступают древесине по величине удельной теплоемкости.

Теплоаккумулирующая способность ограждающих конструкций с большой эффективностью используется при проектировании так называемых энергоактивных зданий, в которых такие конструкции являются неотъемлемым элементом системы, использующей нетрадиционные источники энергии для отопления и горячего водоснабжения.

Дата добавления: 2015-10-29